地下管網可視化研究與應用

于明亮

（大連金帝建設工程有限公司，遼寧 大連 116033）

關鍵字：地下管網；可視化；智慧城市

0 引 言

城鎮地下管網系統是城市建設的重要部分，承擔著城鎮能源輸送和信息傳遞等職能，是城鎮發展的生命線。隨著城鎮建設的不斷發展，各項基礎設施逐步完善，地下管網系統變得越來越復雜。地下管網系統包括電力、供暖、燃氣、排水及工業等地下管道及其附屬設備。目前，我國城鎮地下管道系統存在相關數據缺失等現象，對后續的管道施工保養工作產生一定的影響。在施工過程中容易出現挖壞管道的現象，造成停水、停電、網絡信號中斷等問題，影響人們的正常生活，甚至威脅到人們的生命財產安全。為了更好地對城鎮地下管網系統進行管理，需要將地下管網的建設工作變得可視化，利用新一代信息技術對地下管網系統進行綜合管理，提高使用者對數據的分析和處理能力，更有利于了解地下管網系統的分布和運行情況，實現對地下管網的可視化動態管理。

1 地下管網可視化研究概述

可視化研究指的是人們將一些數據信息通過計算機技術轉化為更加直觀的圖像形式。相對于堆列的數據而言，人們往往對圖像、圖形等信息的接收更加迅速，再通過圖像等內容對數據進行分析處理。可視化技術可以生動形象地表達大量數據的規律和主題。目前可視化研究已經廣泛應用于社會各個領域，極大提高了人們的工作效率。

城鎮地下管網包括燃氣、排水、電力、通信等多個種類的管道。工作人員通過各類管道的數據信息難以直觀地了解管網系統，施工過程中可能會產生一些問題。地下管網可視化是利用計算機將管網數據信息轉化為易于理解的圖像信息，使人們看起來更加直觀。實現地下管網可視化需要借助地理信息系統（Geographic Information System，GIS）、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）以及增強現實（Augmented Reality，AR）技術，將地下管道的位置、形狀、尺寸等信息呈現出來，有利于工作人員針對后續的工作制定科學的計劃和措施。

2 城鎮地下管網可視化在建設中存在的困難

隨著城鎮建設的不斷發展，地下管網系統及其附屬設施越來越復雜，地下管網信息管理平臺已經難以滿足當前的發展需求。目前，我國在城鎮地下管網的管理方面，信息化技術的運用程度還普遍較低，即使有部分城鎮在地下管道的建設和管理方面使用信息化技術，也只是針對少數種類的管道，并且鋪設范圍較小。這些問題對城鎮的發展和規劃產生了一定的阻礙，為了解決這些問題，需要對這些問題進行分析研究。

2.1 缺乏統一平臺監管協調

目前我國城鎮地下管網系統由許多不同的部門監管，沒有統一的管道管理平臺和數據共享平臺。各單位只對自己所監管的地下管道相關信息有所了解，對其他類型管道信息缺乏了解。例如，供水公司的工作人員只熟悉排水管道相關數據信息，而燃氣公司只熟悉燃氣管道相關數據信息，并且管理部門往往只重視地下管道的施工結果，而忽視了在地下管道施工過程中的一些相關基礎數據。管道基礎數據在存檔方面存在一些問題，就給后續管道維護保養及優化等工作帶來了困擾[1]。工作人員在施工過程中，由于缺乏基礎數據，可能出現挖壞、錯挖管道等現象，導致城鎮停水、停電，網絡信號受影響，嚴重影響了人們的正常生活，甚至威脅到人們的生命財產安全。

2.2 管道錯綜復雜使可視化不易實現

城鎮地下管網可視化需要借助相關信息化技術來實現，而目前信息化技術在我國城鎮地下管網在建設和規劃中應用程度不高，阻礙了城鎮地下管網的建設和發展。城鎮地下管網隨著社會經濟的發展變得越來越復雜，鋪設規模越來越大，大量的數據需要借助信息化手段來處理。但目前城鎮地下管網的主要表現形式仍是二維平面圖，缺乏三維模型圖，這就難以使人們對城鎮地下管道有直觀的了解。工作人員無法通過二維平面圖得到各管網系統的連接情況，地下管路的空間表現力受到一定的阻礙，尤其是對一些相互交叉的管路系統，工作人員更加難以對其進行空間分析。

2.3 數據信息與地圖不一致

管網系統并不是孤立于城鎮地底下，管網鋪設范圍內的地形結構及地面上的建筑設施直接影響地下管網的建設和規劃，地下管網可視化研究需要結合城鎮實際地圖。目前我國地下管網系統在定位空間坐標方面還不夠精確，對城鎮地圖的精確性產生一定的影響，在空間數據的表達方面缺乏柵格數據結構、矢量數據結構以及柵格矢量一體化結構的應用，影響地下管網系統數據與實際地面場景的一致性。

2.4 可視化技術人員缺乏系統性培訓

城鎮地下管網的可視化工程是一個系統性的工程，要求從業人員必須能夠熟練掌握可視化軟件的操作。但是大部分的作業人員都沒有經過系統性基礎培訓，少部分人員即使在學校學過該專業，但技能掌握并不精通，加上態度不夠認真，畫出的管道圖錯漏百出，沒有參考價值。

3 實現城鎮地下管網可視化的技術

如果能用技術手段構建統一的協調監管平臺，將錯綜復雜的管道3D化，將數據信息存檔并及時更新，便可以解決以上的問題。目前，實現可視化最方便的三個技術分別是OpenGL、GIS以及3DMAX技術。

3.1 基于OpenGL的管網系統可視化

為了使交互復雜的城鎮地下管網系統實現可視化，可以借助開放圖形庫（Open Graphics Library，OpenGL）來建立地下管網三維模型。OpenGL通過一定的算法將2D平面圖進行渲染，轉換為相對應的三維立體結構。工作人員將地下管道平移到指定位置，再進行翻轉，可以實現任意角度的坐標轉換[2]。基于OpenGL的城鎮地下管網系統可視化的程序設計如圖1所示。工作人員先對地下管網進行數據信息采集，將采集到的數據存儲在數據庫（Oracle RDBMS）中；工作人員對數據庫中的數據進行初始化處理，解析為有序、有起點和終點的數據序列，也叫做數據流，再根據數據流完善管道場景圖、外觀等信息。

地下管網可視化三維結構可以通過數據坐標來顯示。先建立地下管道的起點坐標（x1，y1），經過計算得出同一平面內其他管道連接點的坐標 （xn，yn），再和數字高程模型相結合形成三維坐標系（xn，yn，zn）[3]。繪制地下管網三維圖形是將數字模型轉化為圖像模型的過程，工作人員可以通過一系列空間變換將管道三維效果圖呈現在屏幕上。例如，在OpenGL中的坐標變換矩陣線可以對管道圖像進行幾何變換，棧頂是當前管道的變換矩陣，管道的齊次坐標乘以這個變換矩陣，就可以得到在場景中的實際坐標。

3.2 基于GIS技術的數據建模可視化

工作人員可以利用GIS技術對城鎮地下管網系統進行數據建模。目前越來越多的城鎮地區建立了基于GIS技術的地下管網信息平臺，可以快速將2D地下管網平面圖轉化為三維模型。GIS中的坐標系與基準面和投影兩方面參數有關，工作人員需要確定地圖投影和基準面的含義以及它們之間的聯系，保證GIS系統坐標系的準確性[4]。工作人員先進行數據采集，數據包括不同系統的管道尺寸、坐標、材質等信息，之后創建地下管網數據庫，系統平臺會根據管道的類別做出智能化響應，由起始管道開始讀取數據，再將各管道相互連接，最終生成三維可視化模型，包括對管道起點、終點坐標的計算及管道角度的信息、管線三通、四通結構模型信息以及管道的紋理、材質、顏色等信息。圖2為三維管網空間數據模型建立流程圖。

圖2 三維管網空間數據模型的建立

3.3 基于3DMAX格式文件的三維建模

AutoCAD文件的格式為DXF，它也是國際通用圖形數據。工作人員可以利用計算機輔助設計軟件對地下管網進行三維建模，生成三維管網圖。這對城鎮地下管系統可視化研究具有重要的理論和實踐意義，其建模方式和GIS技術建模類似。DXF文件各層信息與地下管網數據相對應，工作人員利用計算機訪問DXF文件，可以有序地讀取文件各層信息，如管網系統的坐標數值、管道分類，再將管道其他附屬信息如管道材質、尺寸、結構、紋理等導入到系統中，就可以生成完整的數據庫[5]。系統通過讀取地下管網數據庫信息，計算出管道的起點坐標、終點坐標、管道數量，進而分析出管道的連接情況，使各管道的起點坐標、終點坐標、管徑值通過四角形擬合的形式建立起管道三維模型。工作人員在讀取LWPolyline線的實體數據時，先打開DXF格式文件，判斷LWPolylin是否在該實體區間碼范圍內，然后對其進行詳細分析比較，最終讀取坐標系、圖層名等相關信息。

4 結 語

地下管網系統是城鎮發展的生命線，加強城鎮地下管網可視化研究，對城鎮的安全和發展具有非常重要的意義。目前新一代信息化技術在我國城鎮地下管網系統的建設中應用程度整體還處于一個比較低的水平，針對地下管網可視化實現技術手段相對落后的狀況，相關人員應該充分利用信息化技術，如基于OpenGL、測繪數據、CAD文件等形式構建地下管道三維模型，實現地下管網的可視化研究，這對我國城鎮地下管網系統的建設和規劃具有一定的促進作用，有利于促進智慧城市的實現。